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Ab Initio Calculations Concerning the Phase Stabilization of Ferroelectric and Anti-Ferroelectric Zirconia Crystals with Dopants

  • Ferroelectric field- effect-transistors, based on Zirconia or Hafnia, have the potential to play an important roll in future non-volatile electronic memory devices. Artificial stabilization of the ferroelectric phase is necessary, since the ferroelectric phase is not the natural occurring phase of those materials. The intension of this work is to investigate the influence of II- and IV-valent dopants on the phase stability of Zirconia, using Ab Initio calculations based on density functional theory. Experimental results show ferroelectricity for dopant concentrations in the percent margins. Therefore the necessity to use large 96 atomic supercells arises, in which individual atoms can be removed or replaced with a dopant atom. The calculations were performed on the ICE1-segment of the Leibniz Rechenzentrum in Munich, using the program Abinit. Parallelization occurred, using up to 120 cores. The used exchange correlation method was PW92 at a cut off energy of 30 Ha, the atomic positions were optimized using the Broyden-Fletcher-Goldfarb-Shanno-Minimization-Method. Several different external constraints to optimize lattice parameters were investigated. The results show, that for the chosen dopant concentration the monoclinic phase is always favored. That implies that other effects like thermal energy or surface tension might also play a roll in stabilizing the ferroelectric phase. None the less dopants have a big impact on the total energy of the different phases, especially the tetragonal phase. Since in contrast to experimental results the dopants did not stabilize the ferroelectric phase in Zirconia, calculations including III-valent dopants as well as thermal and surface energies for both Zirconia and Hafnia are necessary.
  • Ferroelektrische Feldeffekt-Transistoren auf Basis von Hafniumoxid oder Zirkonoxid haben das Potential eine wichtige Rolle in zukünftigen nichtflüchtigen elektronischen Datenspeichern zu spielen. Da die ferroelektrische Phase jedoch nicht die natürlich Phase dieser Materialien ist, muss diese künstlich stabilisiert werden. Ziel dieser Arbeit ist es, den Einfluss von II- und IV-wertigen Dotanten auf die Phasenstabilität von Zirkonoxid mittels Ab Initio Simulationen zu untersuchen. Experimentell wurde Ferroelektrizität bei Dotierungen im Prozentbereich beobachtet. Daraus ergibt sich die Notwendigkeit mit 96 atomigen Superzellen zu rechnen, wobei einzelne Atome aus der Superzelle entfernt oder durch Dotieratome ausgetauscht wurden. Die Berechnungen erfolgten auf dem ICE1-Segment des Linux-Clusters des Leibniz Rechenzentrums in München mit dem Programm Abinit mit einer Parallelisierung auf bis zu 120 Rechenkernen. Das verwendete Austausch-Korrelationsverfahren für die Dichtefunktionaltheorie war das PW92-Verfahren bei einer „Cut-off-Energie“ von 30 Ha, die Strukturoptimierung erfolgte mit der „Broyden-Fletcher-Goldfarb-Shanno-Minimierungs-Methode“. Des Weiteren wurden unterschiedliche Randbedingungen für die Optimierung der Gitterkonstanten und Winkel untersucht. Die Ergebnisse zeigen, das im gewählten Dotierungsbereich die monokline Phase stets am günstigsten ist, was bedeutet das zur Stabilisierung der ferroelektrischen Phase weitere Effekte wie thermische Energie oder Oberflächenspannungen beitragen müssen. Außerdem findet man eine deutliche Abhängigkeit der Gesamtenergie der unterschiedlichen Phasen des gewählten Dotierstoffes, wobei die tetragonale Phase am meisten beeinflusst wird. Da im Gegensatz zum Experiment die untersuchten Dotierstoffe nicht in der Lage waren die ferroelektrische Phase in Zirkonoxid zu stabilisieren, sollten weitere Anstrengungen unternommen werden, welche auch III-wertige Dotierstoffe, sowie thermische Energie und Oberflächenspannung in sowohl Zirkonoxid, als auch Hafniumoxid berücksichtigen

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Metadaten
Author:Robin Materlik
URN:urn:nbn:de:bvb:m347-dtl-0000001174
Publisher:Hochschule für Angewandte Wissenschaften München
Place of publication:München
Referee:Alfred KerschORCiD, Hans Christian Alt
Document Type:Master's Thesis
Language:English
Date of Publication (online):2021/12/21
Date of first Publication:2013/05/14
Publishing Institution:Hochschule für angewandte Wissenschaften München
Granting Institution:Hochschule für angewandte Wissenschaften München
Date of final exam:2013/05/14
Contributing Corporation:Inferox, German Research Foundation DFG.
Release Date:2021/12/21
Page Number:X, 47, XI-XLVI Seiten
Departments and Institutes:Fakultäten der Hochschule München / FK 06 Fakultät für angewandte Naturwissenschaften und Mechatronik
Dewey Decimal Classification:5 Naturwissenschaften und Mathematik / 53 Physik
Illustrations:Illustration/en
Illustrations:grafische Darstellung/en
Licence (German):Keine CC-Lizenz, es gilt der Veröffentlichungsvertrag und das Deutsche Urheberrecht
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